WO2006089641A1 - Mems-mikrofon - Google Patents

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microphone
deflection
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Anton Leidl
Wolfgang Pahl
Ulrich Wolff
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Epcos AG
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    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Definitions

  • MEMS Micro Electromechanical System
  • US Pat. No. 4,816,125 discloses a MEMS microphone having a piezoelectric layer of ZnO and a plurality of concentrically arranged electrodes connected to this layer.
  • MEMS microphones described here have an air chamber connected to a sound inlet opening and a return volume.
  • the back volume is an enclosed volume of air that prevents an acoustic short circuit - an unwanted pressure equalization between the front and the back of the oscillating membrane.
  • This air volume causes at each diaphragm deflection a restoring force in addition to the restoring force caused by the elastic membrane properties.
  • the back volume is so small that even the small membrane strokes lead to a considerable increase in pressure in the back volume, which can be of the order of magnitude of the sound level to be detected.
  • the additional restoring force reduces the compliance and the stroke of the membrane.
  • It is a microphone with a first and a second membrane indicated, which are each connected to one and the same closed air volume and coupled together so that at a deflection of the first membrane, a simultaneous deflection of the second membrane is effected.
  • the first membrane is a microphone membrane, i. H.
  • a "passive” membrane which detects the sound pressure or converts an acoustic signal into an electrical signal
  • the second membrane is an auxiliary membrane or an "active” membrane, whose stroke is controlled by electrical control via the closed air volume with the "passive” Membrane interacts.
  • a virtual return volume is achieved that is several times larger (at least two times in one embodiment, at least fivefold in one embodiment) than the real back volume.
  • the two circuit strategies for reducing the effective restoring force involve the risk of rocking feedback oscillations of the overall system. In a preferred variant, therefore, switching provided technical measures to detect and avoid such conditions.
  • a microphone is provided with a base body, in which two openings are provided, which open into a cavity formed in the base body.
  • a first membrane is arranged above a first opening and a second membrane (auxiliary membrane) is disposed above a second opening, so that an air volume is enclosed in the cavity.
  • the second membrane is preferably acoustically decoupled from the exterior by another cavity. Outside space is a space in which the source of an acoustic input signal is located.
  • the first membrane Arranged above the first membrane is preferably a chamber connected to the outside, which is insulated from the cavity.
  • the cavity is referred to below as the back volume.
  • the first membrane is disposed in a first cavity wall over an opening formed in this wall.
  • the second membrane is arranged in a second cavity wall.
  • the membranes are preferably arranged in opposite cavity walls. Since the acoustic pressure change at membrane deflection is transmitted equally in all directions, it is also possible to arrange both membranes in mutually perpendicular walls. Both membranes can be arranged in the same cavity wall.
  • the two membranes preferably have substantially the same mass and can be of similar design.
  • the (passive) first diaphragm acts as a microphone diaphragm
  • the (controlled) second diaphragm acts as a speaker diaphragm.
  • chermembran works.
  • the displacement of the first diaphragm is converted into an electrical signal based on the direct piezoelectric effect.
  • a capacitive MEMS microphone the relative position of the electrodes of the microphone changes. The associated capacitance change is converted into an electrical signal.
  • the respective membrane can basically be an electromechanical transducer operating with an electric field or magnetic field.
  • the deflection of the second membrane can, as in a speaker z. B. be effected by means of a changing electric or magnetic field.
  • the deflection of the second diaphragm having piezoelectric properties can be effected on the basis of the inverse piezoelectric effect.
  • both membranes each comprise at least one piezoelectric layer, wherein both membranes are preferably of identical construction.
  • the electromechanical conversion in membranes based on different electromechanical effects.
  • the first membrane may function as a MEMS capacitive microphone and the second membrane as a piezoelectric transducer.
  • the enclosed air volume (back volume of the microphone) and the outer space connecting, compared to the cross-sectional size of the membrane small ventilation opening may be provided, which leads to a slow pressure equalization z. B. in the range of _> 100 ms is used. The pressure equalization takes place slowly with respect to the period of an acoustic signal with the largest wavelength in the working range of the microphone.
  • This opening can be in the membrane or be arranged in a wall of the container, which includes the acoustic remindvolumen-. r
  • the described compensation measures according to the first and the second embodiment it is possible to substantially reduce the real acoustic back volume (i.e., the closed air volume) compared to known microphones without an auxiliary membrane, so that overall a considerable space saving can be achieved. Since the virtual back volume can still be kept sufficiently large, occur through the reduced construction no adverse consequences (loss of sensitivity).
  • an additional, isolated from the outer space cavity may be provided.
  • the additional cavity is separated from the closed air volume by the auxiliary membrane.
  • the additional cavity can be significantly smaller than the closed air volume, since the auxiliary membrane is actively driven and thus their deflection is adjusted.
  • the space requirement of the microphone assembly can be kept low overall.
  • FIG. 1A shows a detail of a microphone according to the first preferred variant, having two membranes electrically coupled to one another in a schematic cross section;
  • FIG. IB equivalent circuit diagram of the microphone according to Figure IA;
  • Figures 2, 3 each show a variant of the embodiment shown in Figure 1;
  • FIG. 4A a detail of a microphone according to the second preferred variant
  • FIG. 4B equivalent circuit diagram of the microphone according to Figure 4A;
  • FIG. 5 shows an exemplary microphone membrane in a schematic cross section
  • FIG. 6 shows a metal layer in which two electrodes electrically connected to external contacts are formed.
  • FIG. 1A shows a microphone with a main body GH, which has on its opposite walls HW1, HW2 an opening AU1, AU2 which opens into a cavity HR2.
  • a first membrane M1 microwave membrane, passive membrane
  • a second membrane M2 auxiliary membrane, activated membrane
  • the membrane Ml, M2 can be stretched on the walls of the main body GH.
  • the membrane M1, M2 can alternatively be replaced by a microphone chip with a carrier substrate and a membrane mounted thereon.
  • the microphone chip can with the main body GH z. B. be firmly connected by means of an adhesive layer.
  • the first membrane Ml separates the cavity HR2 from a chamber HR1, which is connected via a sound inlet opening IN to the outside space.
  • the first membrane Ml begins to vibrate as soon as an acoustic pressure p is exerted on it.
  • the pressure change in the chamber HRl and the vibration of the membrane Ml would (without the auxiliary membrane M2) to a Volumeng. Pressure change in the cavity HR2 and an associated restoring force lead, which acts on the first membrane MI and reduces the amplitude of vibration.
  • the active second membrane M2 is in this case driven in push-pull with the passive first membrane Ml. In this case, a reduced or no change in the volume of the cavity HR2 occurs.
  • the second membrane M2 separates the cavity HR2 from an additional closed cavity HR3, which is separated from a space connected to a sound source, i. H. the outside space and the chamber HRl is isolated.
  • the additional cavity HR3 prevents the reaction of the active membrane on the passive membrane on the outer path.
  • FIG. 1B shows a simplified equivalent circuit diagram of membranes M 1, M 2 coupled by means of a drive circuit V 1.
  • an electrical signal is generated, which can be tapped at the output OUT as a useful signal for further processing.
  • a portion of the electrical signal is used to generate a control signal at the output of the drive circuit Vl, with which the auxiliary membrane M2 is driven in push-pull (with respect to the built-up in the cavity HR2 internal pressure) with the passive membrane.
  • the drive circuit Vl preferably includes an amplifier for amplifying the signal picked up at the diaphragm M1.
  • FIG. 2 shows a variant of the microphone presented in FIG. 1, in which both membranes M1, M2 are arranged in the same cavity wall HW1.
  • a small ventilation opening VE connecting this cavity and the outer space is provided in a cavity wall of the cavity HR2 whose cross-sectional size is significantly smaller (for example by at least a factor of 100) than the cross-sectional size of the membrane or openings AU1 or AU2 and which is too slow Pressure equalization z.
  • B. in the range of> _ 100 ms is used.
  • a small ventilation opening VE 'connecting this cavity and the outside space is also provided.
  • the openings AUl, AU2 are provided in the mutually perpendicular walls.
  • the ventilation opening VE is formed here in the membrane M1.
  • the active second membrane M2 is driven in common mode (with respect to the internal pressure) with the passive first membrane M1.
  • the deflections of the two membranes are directed to the interior of the air volume trapped in the cavity HR2.
  • a dashed line shows how the passive diaphragm M1 would deform due to the external sound pressure.
  • a solid line shows the actual position of the membrane M1 achieved due to the compensating effect of the active membrane M2, the membrane M1 practically remaining in its rest position or oscillating with a very small amplitude relative to the deflection of the active membrane M2.
  • FIG. 4B shows an equivalent circuit diagram to the exemplary embodiment according to FIG. 4A.
  • the tapped on the membrane M1 electrical signal is processed by the control circuit RK.
  • a control signal for controlling the membrane M2 and, on the other hand, a further control signal is output, which superimposes itself on the signal picked up on the membrane M1 and dampens the oscillation amplitude of the membrane M1.
  • An output signal at the output OUT can be suitably evaluated.
  • the output OUT is here connected to the membrane M2.
  • FIG. 4B shows the equivalent circuit diagram of a microphone which includes a control circuit RK for compensating the deflection of the diaphragm M1.
  • the output signal OUT2 is taken from the control loop, while the signal of the converter Ml is kept close to zero by the action of the control.
  • An exemplary membrane with a piezoelectric layer PS arranged between two metal layers ML1, ML2 is shown in FIGS. 5 and 6.
  • a piezoelectric layer PS arranged between two metal layers ML1, ML2 is shown in FIGS. 5 and 6.
  • AE2 electrodes Ell and E12 are arranged in the first metal layer ML1 connected to the external contacts AEl.
  • AE2 electrodes Ell and E12 are arranged in the second metal layer ML2, a floating conductive surface is formed, which is opposite to the two electrodes Ell, E12. Two capacitors connected in series are formed.
  • FIG. 6 shows a first metal layer ML1 of the membrane presented in FIG.
  • the round electrode Ell is in the first region of a high potential and the annular electrode E12 in FIG. second region of high potential.
  • the two regions of high potential have opposite polarity.
  • the electrodes Ell, E12 are each connected to an external contact AEl or AE2.
  • a metal layer ML2 arranged underneath or above, shown in FIG. 5 a preferably continuous floating conductive surface is arranged which lies opposite the two electrodes Ell, E12.
  • the microphone is not limited to the number of elements shown in figures or to the audible range of 20 Hz to 20 kHz.
  • the microphone can also be used in other piezoelectric acoustic sensors, eg. B. with ultrasound working distance sensors are used.
  • a microphone chip with a described microphone can be used in any signal processing modules. Different variants can be combined with each other.
  • HWl HW2 first and second cavity wall

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein hochempfindliches MEMS-Mikrofon mit verbessertem Signalrauschverhältnis. Die Erfindung gibt in einer Ausführung ein piezoelektrisches Mikrofon mit einer vorzugsweise elektrisch an eine Membran (M1) gekoppelten Hilfsmembran (M2) an. In einer weiteren Ausführung ist eine Membran mit einem elektrischen Regelkreis zu Kompensation eines Membranhubs versehen.

Description

Beschreibung
MEMS-Mikrofon
Beschrieben wird ein MEMS-Mikrofon (MEMS = Micro Electrome- chanical System) .
Aus der Druckschrift US 4816125 ist ein MEMS-Mikrofon mit einer piezoelektrischen Schicht aus ZnO und mehreren mit dieser Schicht verbundenen, konzentrisch angeordneten Elektroden bekannt .
Aus der Druckschrift J. J. Neumann, Jr., and K. J. Gabriel, „A fully-integrated CMOS-MEMS audio microphone", the 12th International Conference on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems, 2003 IEEE, Seiten 230 bis 233 ist ein Mikrofonmodul mit einem gehäusten MEMS-Mikrofon bekannt, wobei im Gehäuse unterhalb der Mikrofonmembran ein eingeschlossenes Luftvolumen (back volume) vorgesehen ist.
Aus der Druckschrift D. P. Arnold et al . „A directional acoustic array using Silicon micromachined piezoresisitive microphones", J. Acoust . Soc . Am., Band 113 (1), 2003, Seiten 289 bis 298 ist ein elektrisches Modul mit einem eingebauten MEMS piezoresistiven Mikrofon bekannt.
In der Druckschrift Mang-Nian Niu and Eun Sok Kim „Piezoe- lectric Bimorph Microphone Built on Micromachined Parylene Diaphragm", Journal of Microelectromechanical Systems, Band 12, 2003 IEEE, Seiten 892 bis 898, ist ein piezoelektrisches Mikrofon beschrieben, das zwei piezoelektrische Schichten aus ZnO und eine dazwischen angeordnete floatende Elektrode aufweist . Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein hochempfindliches Mikrofon mit einem hohen Signal -Rausch-Verhältnis anzugeben.
Es wurde gefunden, dass Mikrofone, die Schalldruck mittels Membranen detektieren, in der Regel auf einen großen Membranhub als Reaktion auf die Schallintensität angewiesen sind, um die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Empfindlichkeit und Rauschverhalten zu erhalten. Bei kleinen Bauteilen mit eingebauten Mikrofonen ist der erzielbare Hub durch die kleine Membranfläche eingeschränkt . Bei Wandlung des Membranhubs in eine elektrische Größe können nur schwache elektrische Signale gewonnen werden. Die Nachgiebigkeit einer in einem Abscheideverfahren hergestellten Membran kann durch eine durch einen hohen inneren mechanischen Stress verursachte Vorspannung der Membran verschlechtert werden.
Hier beschriebene MEMS-Mikrofone weisen eine mit einer Schalleintrittsöffnung verbundene Luftkammer sowie ein Rück- volumen auf. Als Rückvolumen (back volume) wird ein eingeschlossener Luftvolumen bezeichnet, mit dem ein akustischer Kurzschluss - ein ungewollter Druckausgleich zwischen Vorderseite und Rückseite der schwingenden Membran - verhindert wird. Dieses Luftvolumen bewirkt bei jeder Membranauslenkung eine Rückstellkraft zusätzlich zu der durch die elastischen Membraneigenschaften verursachten Rückstellkraft. Bei kleinen Bauteilen ist das Rückvolumen so klein, dass selbst die geringen Membranhübe zu einem erheblichen Druckanstieg im Rückvolumen führen, die in der Größenordnung des zu detektieren- den Schallpegels liegen können. Die zusätzliche Rückstellkraft verringert die Nachgiebigkeit und den Hub der Membran. Es wird ein Mikrofon mit einer ersten und einer zweiten Membran angegeben, die jeweils mit einem und demselben geschlossenen Luftvolumen verbunden und so miteinander gekoppelt sind, dass bei einer Auslenkung der ersten Membran eine zeitgleiche Auslenkung der zweiten Membran bewirkt wird.
Die erste Membran ist eine Mikrofonmembran, d. h. eine „passive" Membran, die den Schalldruck detektiert bzw. ein akustisches Signal in ein elektrisches Signal umwandelt. Die zweite Membran ist eine Hilfsmembran bzw. eine „aktive" Membran, deren durch elektrische Ansteuerung bewirkter Hub über das geschlossene Luftvolumen mit der „passiven" Membran in Wechselwirkung tritt.
Mit dieser Anordnung kann die gestellte Aufgabe unter- Ausnutzung von zwei verschiedenen Strategien für die elektrische Ansteuerung der aktiven Membran gelöst werden:
1) "Konstanthalten des eingeschlossenen Luftvolumens": Dazu wird ein von der passiven Membran abgeleitetes und verstärktes Signal der aktiven Membran in der Weise zugeführt, dass- ■ letztere eine gegensinnige, aber betragsmäßig ähnliche oder gleiche Bewegung ausführt wie die passive Membran. Wird beispielsweise die passive Membran durch den externen Schall- druck zu einem bestimmten Volumenhub zum Inneren des Hohlraums veranlasst, erfolgt eine elektrische Ansteuerung der aktiven Membran um den annähernd gleichen Volumenhub vom Inneren des Hohlraums hinweg. Als Ergebnis wird die Schwankung des Kammervolumens reduziert oder aufgehoben. Auf diese Weise gelingt es, durch den Schalldruck hervorgerufene Druckschwankungen im geschlossenen Luftvolumen erheblich, z. B. um mindestens den Faktor zwei, in einer Variante um mindestens den Faktor fünf zu reduzieren. Diese Verminderung der Innendruck- Schwankungen bedeutet aber auch eine entsprechende Verminderung der Membran-Rückstellkraft. Das effektive Rückvolumen erscheint damit wesentlich vergrößert, im Grenzfall als unendlich.
2) "Kompensation der Passiv-Membran-Auslenkung" : Hierbei ist die elektrische Ansteuerung der aktiven Membran Teil eines Regelkreises, der die Auslenkung der passiven Membran trotz Einwirkung des externen Schallfeldes auf die passive Membran reduziert oder sogar aufhebt. Maß für diese Auslenkung ist das elektrische Ausgangssignal der passiven Membran, das durch die Regelung nahe Null gehalten wird. In jedem Augenblick baut die aktive Membran zu diesem Zweck einen Innendruck in der Kammer auf, der dem Außendruck (Schalldruck) nahe oder gleich kommt. Der resultierende Differenzdruck für die passive Membran wird so verringert oder verschwindet ganz, was damit auch für ihre Auslenkung gilt. Ohne nennenswerte Membran-Auslenkung der passiven Membran jedoch bewirkt das Rückvolumen wiederum keine relevanten Rückstellkräfte auf diese Membran. Das Ausgangssignal der Anordnung ist in diesem Fall nicht das der passiven- Membran (das j a in der beschriebenen Weise gegen Null geregelt wird) , sondern das im Regelkreis gebildete Ansteuersignal der aktiven Membran.
In beiden Fällen wird ein virtuelles Rückvolumen erzielt, das um ein Mehrfaches (in einer Ausführung mindestens zweifach, in einer bevorzugten Ausführung mindestens fünffach) größer ist als das reale Rückvolumen.
Die beiden schaltungstechnischen Strategien zur Verminderung der effektiven Rückstellkraft bergen das Risiko sich aufschaukelnder Rückkopplungsschwingungen des Gesamtsystems in sich. In einer bevorzugten Variante sind daher schaltungs- technische Maßnahmen zur Erkennung und Vermeidung solcher Zustände vorgesehen.
In einer ersten bevorzugten Ausführung wird ein Mikrofon mit einem Grundkörper angegeben, in dem zwei Öffnungen vorgesehen sind, die in einen im Grundkörper ausgebildeten Hohlraum münden. Über einer ersten Öffnung ist eine erste Membran und ü- ber einer zweiten Öffnung eine zweite Membran (Hilfsmembran) angeordnet, so dass im Hohlraum ein Luftvolumen eingeschlossen ist . Die zweite Membran ist vorzugsweise vom Außenraum durch einen weiteren Hohlraum akustisch entkoppelt. Als Außenraum wird ein Raum bezeichnet, in dem sich die Quelle eines akustischen Eingangssignals befindet.
Über der ersten Membran ist vorzugsweise eine mit Außenraum verbundene Kammer angeordnet, die vom Hohlraum isoliert ist. Der Hohlraum wird im Folgenden als Rückvolumen bezeichnet.
Die erste Membran ist in einer ersten Hohlraumwand über einer in dieser Wand ausgebildeten Öffnung angeordnet. In einer Variante ist die zweite Membran in einer zweiten Hohlraumwand angeordnet. Die Membranen sind vorzugsweise in einander gegenüberliegenden Hohlraumwänden angeordnet . Da die akustische Druckänderung bei Membranauslenkung in alle Richtungen gleichermaßen übertragen wird, ist es auch möglich, beide Membranen in senkrecht zueinander stehenden Wänden anzuordnen. Beide Membranen können in derselben Hohlraumwand angeordnet sein.
Die beiden Membranen weisen vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Masse auf und können gleichartig ausgebildet sein. Die (passive) erste Membran wirkt als eine Mikrofonmembran, wohingegen die (gesteuerte) zweite Membran als eine Lautspre- chermembran funktioniert . Die Auslenkung der ersten Membran wird beispielsweise bei einem piezoelektrischen MEMS-Mikrofon basierend auf dem direkten piezoelektrischen Effekt in ein elektrisches Signal umgewandelt. Bei einem kapazitiven MEMS- Mikrofon ändert sich die Relativlage der Elektroden des Mikrofons. Die damit verbundene Kapazitätsänderung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die jeweilige Membran kann grundsätzlich ein mit elektrischem Feld oder Magnetfeld arbeitender elektromechanischer Wandler sein.
Die Auslenkung der zweiten Membran kann wie bei einem Lautsprecher z. B. mittels eines sich ändernden elektrischen oder magnetischen Feldes bewirkt werden. Die Auslenkung der zweiten Membran mit piezoelektrischen Eigenschaften kann auf der Basis des inversen piezoelektrischen Effekts bewirkt werden.
In einer bevorzugten Ausführung umfassen beide Membranen jeweils mindestens eine piezoelektrische Schicht, wobei beide Membranen vorzugsweise gleich aufgebaut sind. Alternativ ist es möglich, dass die elektromechanische Wandlung bei Membranen auf voneinander unterschiedlichen elektromechanischen Effekten basiert. Beispielsweise kann die erste Membran als ein kapazitives MEMS-Mikrofon und die zweite Membran als ein piezoelektrischer Wandler funktionieren.
In einer Variante kann eine das eingeschlossene Luftvolumen (Rückvolumen des Mikrofons) und den Außenraum verbindende, gegenüber der Querschnittsgröße der Membran kleine Ventilationsöffnung vorgesehen sein, die zu einem langsamen Druckausgleich z. B. im Bereich von _> 100 ms dient. Der Druckausgleich erfolgt langsam gegenüber der Periodendauer eines a- kustischen Signals mit der größten Wellenlänge im Arbeitsbereich des Mikrofons . Diese Öffnung kann in der Membran oder in einer Wand des Behälters angeordnet sein, der das akustische Rückvolumen- einschließt . r
Durch die beschriebenen Kompensationsmaßnahmen gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform ist es möglich, das reale akustische Rückvolumen (d. h. das geschlossene Luftvolumen) gegenüber bekannten Mikrofonen ohne eine Hilfsmembran wesentlich zu verringern, so dass insgesamt eine erhebliche Raumersparnis erzielt werden kann. Da das virtuelle Rückvolumen dennoch ausreichend groß gehalten werden kann, treten durch die verkleinerte Konstruktion keine nachteiligen Folgen (Empfindlichkeitseinbußen) ein.
Um einen akustischen Kurzschluss einer angesteuerten Hilfsmembran zum Außenraum oder zur Schalleintrittsöffnung zu vermeiden, kann in einer vorteilhaften Variante als akustisches Rückvolumen für die Hilfsmembran ein zusätzlicher, vom Außenraum isolierter Hohlraum vorgesehen sein. Der zusätzliche Hohlraum ist durch die Hilfsmembran vom geschlossenen Luftvolumen getrennt. Der zusätzliche Hohlraum kann deutlich kleiner als das geschlossene Luftvolumen sein, da die Hilfsmembran aktiv angesteuert und somit ihre Auslenkung eingestellt wird. Somit kann der Platzbedarf der Mikrofonanordnung insgesamt gering gehalten werden.
Im folgenden wird ein Mikrofon anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert . Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele des Mikrofons. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen schematisch Figur IA ausschnittsweise ein Mikrofon gemäß der ersten bevorzugten Variante, aufweisend zwei elektrisch miteinander gekoppelte Membranen in einem schematischen Querschnitt;
Figur IB Ersatzschaltbild des Mikrofons gemäß Figur IA;
Figuren 2, 3 jeweils eine Variante der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform;
Figur 4A ausschnittsweise ein Mikrofon gemäß der zweiten bevorzugten Variante;
Figur 4B Ersatzschaltbild des Mikrofons gemäß Figur 4A;
Figur 5 eine beispielhafte Mikrofonmembran in einem schematischen Querschnitt;
Figur 6 eine Metalllage, in der zwei elektrisch mit Außenkontakten verbundene Elektroden ausgebildet sind.
Figur IA zeigt ein Mikrofon mit einem Grundkörper GH, das- auf seinen einander gegenüberliegenden Wänden HWl, HW2 jeweils eine Öffnung AUl, AU2 aufweist, die in einen Hohlraum HR2 mündet . Über der ersten Öffnung AUl ist eine erste Membran Ml (Mikrofonmembran, passive Membran) und über der zweiten Öffnung AU2 eine zweite Membran M2 (Hilfsmembran, angesteuerte Membran) angeordnet.
Die Membran Ml, M2 kann auf den Wänden des Grundkörpers GH aufgespannt sein. Die Membran Ml, M2 kann alternativ durch einen Mikrofonchip mit einem Trägersubstrat und einer darauf aufgespannten Membran ersetzt werden. Der Mikrofonchip kann mit dem Grundkörper GH z. B. mittels einer Klebeschicht fest verbunden sein.
Die erste Membran Ml trennt den Hohlraum HR2 von einer Kammer HRl, die über eine Schalleintrittsöffnung IN mit dem Außenraum verbunden ist. Die erste Membran Ml fängt an zu schwingen, sobald auf sie ein akustischer Druck p ausgeübt wird. Die Druckänderung in der Kammer HRl und das Schwingen der Membran Ml würde (ohne die Hilfsmembran M2) zu einer Volumenbzw. Druckänderung im Hohlraum HR2 und einer damit verbundenen Rückstellkraft führen, die auf die erste Membran Ml wirkt und die Schwingungsamplitude verringert. Durch eine elektrische Kopplung der beiden Membranen Ml, M2 erfolgen ihre Schwingungen so, dass die Auslenkung der ersten Membran Ml zum Inneren des Hohlraumes HR2 hin und die Auslenkung der zweiten Membran M2 mit der gleichen Amplitude nach außen hin erfolgt. Die aktive zweite Membran M2 wird hierbei im Gegentakt mit der passiven ersten Membran Ml angesteuert . Dabei tritt eine verringerte oder gar keine Änderung des Volumens des Hohlraumes HR2 auf .
Die zweite Membran M2 trennt den Hohlraum HR2 von einem zusätzlichen geschlossenen Hohlraum HR3 , der von einem mit einer Schallquelle verbundenen Raum, d. h. dem Außenraum und der Kammer HRl isoliert ist. Der zusätzliche Hohlraum HR3 verhindert eine Rückwirkung der aktiven Membran auf die passive Membran auf dem äußeren Pfad.
Der zusätzliche Hohlraum HR3 und/oder die Kammer HRl kann z. B. mittels einer kappenförmigen, vorzugsweise formstabilen Abdeckung geschaffen werden. In Figur IB ist ein vereinfachtes Ersatzschaltbild von mittels einer Ansteuerschaltung Vl gekoppelten Membranen Ml, M2 gezeigt. Bei einer durch den Schalldruck hervorgerufenen Auslenkung der passiven Membran Ml wird ein elektrisches Signal erzeugt, das am Ausgang OUT als Nutzsignal zur Weiterverarbeitung abgegriffen werden kann. Ein Teil des elektrischen Signals wird zur Erzeugung eines Steuersignals am Ausgang der Ansteuerschaltung Vl genutzt, mit dem die Hilfsmembran M2 im Gegentakt (bezüglich des im Hohlraum HR2 aufgebauten Innendrucks) mit der passiven Membran angesteuert wird.
Die Ansteuerschaltung Vl enthält vorzugsweise einen Verstärker zur Verstärkung des an der Membran Ml abgegriffenen Signals .
In Figur 2 ist eine Variante des in Figur 1 vorgestellten Mikrofons gezeigt, in der beide Membranen Ml, M2 in derselben Hohlraumwand HWl angeordnet sind. In einer Hohlraumwand des Hohlraums HR2 ist eine diesen Hohlraum und den Außenraum verbindende kleine Ventilationsöffnung VE vorgesehen, deren Querschnittsgröße deutlich (z. B. um mindestens Faktor 100) kleiner als die Querschnittsgröße der Membran oder der Öffnungen AUl oder AU2 ist und die zu einem langsamen Druckausgleich z. B. im Bereich von >_ 100 ms dient. In einer Hohlraumwand des Hohlraums HR3 ist auch eine diesen Hohlraum und den Außenraum verbindende kleine Ventilationsöffnung VE' vorgesehen.
In Figur 3 sind die Öffnungen AUl, AU2 in den senkrecht aufeinander stehenden Wänden vorgesehen. Die Ventilationsöffnung VE ist hier in der Membran Ml ausgebildet . Mit Pfeilen ist in Fig. 1 bis 4A, B die Richtung der Membranauslenkung angedeutet.
In einer in Figur 4A vorgestellten Variante gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform wird die aktive zweite Membran M2 im Unterschied zur Figur IA im Gleichtakt (bezüglich des Innendrucks) mit der passiven ersten Membran Ml angesteuert. Dabei sind die Auslenkungen der beiden Membranen zum Inneren des im Hohlraum HR2 eingeschlossenen Luftvolumens gerichtet. In Figur 4A ist mit einer gestrichelten Linie dargestellt, wie sich die passive Membran Ml aufgrund des externen Schall - drucks verformen würde. Mit einer durchgezogenen Linie ist die aufgrund der kompensierenden Wirkung der aktiven Membran M2 erzielte tatsächliche Lage der Membran Ml dargestellt, wobei die Membran Ml praktisch in ihrer Ruhelage bleibt oder mit einer gegenüber der Auslenkung der aktiven Membran M2 sehr kleinen Amplitude schwingt.
In Figur 4B ist ein Ersatzschaltbild zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4A gezeigt. Das an der Membran Ml abgegriffene elektrische Signal wird durch den Regelkreis RK verarbeitet. Es wird dabei einerseits ein Steuersignal zur Ansteuerung der Membran M2 und andererseits ein weiteres Steuersignal ausgegeben, das sich mit dem an der Membran Ml abgegriffenen Signal überlagert und die Schwingungsamplitude der Membran Ml dämpft . Ein Ausgangssignal am Ausgang OUT kann zweckgemäß ausgewertet werden. Der Ausgang OUT ist hier an die Membran M2 angeschlossen.
Auch in den in Figuren 2 und 3 vorgestellten Varianten ist es möglich, die aktive Membran M2 im Gleichtakt zur passiven Membran Ml anzusteuern, um die Auslenkungsamplitude der pas- siven Membran Ml zusätzlich zu der auf diese wirkenden Rückstellkraft zu dämpfen.
In Figur 4B ist das Ersatzschaltbild eines Mikrofons gezeigt, das einen Regelkreis RK zur Kompensation der Auslenkung der Membran Ml utnfasst . Das Ausgangesignal OUT2 wird dabei dem Regelkreis entnommen, während das Signal des Wandlers Ml durch die Wirkung der Regelung nahe Null gehalten wird. Eine beispielhafte Membran mit einer zwischen zwei Metall - schichten MLl, ML2 angeordneten piezoelektrischen Schicht PS ist in Figuren 5 und 6 gezeigt. In der ersten Metallschicht MLl sind an die Außenkontakte AEl, AE2 angeschlossene Elektroden Ell und E12 angeordnet. In der zweiten Metallschicht ML2 ist eine floatende leitende Fläche ausgebildet, die den beiden Elektroden Ell, E12 gegenüber liegt. Dabei werden zwei in Serie miteinander geschaltete Kapazitäten gebildet.
In Figur 6 ist eine erste Metalllage MLl der in Figur 5 vorgestellten Membran gezeigt. Die runde Elektrode Ell ist im ersten Bereich eines hohen Potentials und die ringförmige E- lektrode E12 im. zweiten Bereich eines hohen Potentials angeordnet. Die beiden Bereiche des hohen Potentials weisen entgegengesetzte Polarität auf. Die Elektroden Ell, E12 sind jeweils an einen Außenkontakt AEl bzw. AE2 angeschlossen. In einer darunter oder darüber angeordneten, in Figur 5 gezeigten Metalllage ML2 ist eine vorzugsweise durchgehende floatende leitende Fläche angeordnet, welche den beiden Elektroden Ell, E12 gegenüber liegt.
Das Mikrofon ist nicht auf die Anzahl der in Figuren dargestellten Elemente oder auf den akustischen Hörbereich von 20 Hz bis 20 kHz beschränkt. Das Mikrofon kann auch in weiteren piezoelektrischen akustischen Sensoren, z. B. mit Ultraschall arbeitende Abstandssensoren, eingesetzt werden. Ein Mikrofonchip mit einem beschriebenen Mikrofon kann in beliebigen Signalverarbeitungsmodulen eingesetzt werden. Verschiedene Varianten können miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste
AEl, AE2 Außenkontakte
AUl, AU2 Öffnungen im Behälter GH
AU Öffnung im Substrat SU
Ell erste Teilelektrode
E12 zweite Teilelektrode
GH Gehäuse
HRl erster Hohlraum
HR2 zweiter Hohlraum
HWl, HW2 erste und zweite Hohlraumwand
IN Schalleintrittsöffnung
KS Klebeschicht
Ml erste Membran
M2 zweite Membran
MLl, ML2 Metallschichten
PS piezoelektrische Schicht
RK Regelkreis
Vl Verstärker
VE Ventilationsöffnung

Claims

Patentansprüche
1. Mikrofon, umfassend eine erste Membran (Ml) und eine zweite Membran (M2) , die mit einem geschlossenen Luftvolumen verbunden sind, wobei die Membranen (Ml, M2) elektrisch so miteinander gekoppelt sind, dass bei einer Auslenkung der ersten Membran eine zeitgleiche Auslenkung der zweiten Membran bewirkt wird.
2. Mikrofon nach Anspruch 1, umfassend einen Grundkörper mit zwei Öffnungen (AUl, AU2), die in einen im Grundkörper ausgebildeten Hohlraum (HR2 ) münden, wobei die erste Membran (Ml) über einer ersten Öffnung (AUl) und die zweite Membran (M2) über einer zweiten Öffnung (AU2) angeordnet ist, so dass im Hohlraum (HR2) ein Luftvolumen eingeschlossen ist, wobei bei der Auslenkung der ersten Membran (Ml) zum Inneren des Hohlraums (HR2) hin die zweite Membran (M2) durch elektrische Ansteuerung eine Auslenkung in die vom Inneren des Hohlraums (HR2) abgewandte Richtung erfährt und der Volumenhub der zweiten Membran dabei zwischen 50 und 100% des Volumenhubs der ersten Membran beträgt.
3. Mikrofon, umfassend eine mit einem geschlossenen Luftvolumen verbundene erste Membran (Ml) , die bei Einwirkung eines äußeren Schall- drucks mittels einer Vorrichtung zur Ansteuerung elektrisch derart angesteuert wird, dass dem Schalldruck entgegenwirkt und die Schwingungsamplitude der Membran gedämpft wird.
4. Mikrofon nach Anspruch 3 , wobei durch die elektrische Ansteuerung erreicht wird, dass Druckänderungen auf beiden Seiten der ersten Membran (Ml) betragsmäßig im Wesentlichen gleich sind.
5. Mikrofon nach Anspruch 3 oder 4 , mit einer zweiten Membran (M2) , die mit einem geschlossenen Luftvolumen verbunden ist, wobei die Membranen (Ml, M2) mittels der Vorrichtung zur Ansteuerung elektrisch miteinander gekoppelt sind, wobei bei einer Auslenkung der ersten Membran eine solche Auslenkung der zweiten Membran bewirkt wird, dass im geschlossenen Luftvolumen eine Druckänderung entsteht, die dem Schalldruck entgegenwirkt und so die Auslenkung der ersten Membran um 50 bis 100% reduziert.
6. Mikrofon nach Anspruch 2 oder 5, wobei die erste Membran (Ml) in einer ersten Hohlraumwand (HWl) angeordnet ist, wobei die zweite Membran (M2) in einer zweiten Hohlraumwand (HW2) angeordnet ist.
7. Mikrofon nach Anspruch 6, wobei die erste und die zweite Hohlraumwand (HWl, HW2) einander gegenüberliegende Hohlraumwände sind.
8. Mikrofon nach Anspruch 6, wobei die erste und die zweite Hohlraumwand (HWl, HW2 ) senkrecht aufeinander stehen.
9. Mikrofon nach Anspruch 2 oder 5, wobei beide Membranen (Ml, M2) in derselben Hohlraumwand (HWl) angeordnet sind.
10. Mikrofon nach einem der Ansprüche 2 oder 5, wobei die erste und die zweite Membran (Ml, M2) im Wesentlichen die gleiche Masse aufweisen.
11. Mikrofon nach einem der Ansprüche 2 oder 5, wobei die erste und die zweite Membran (Ml, M2) im Wesentlichen gleich ausgebildet sind.
12. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einer über eine Schalleintrittsöffnung (IN) mit einem Außenraum verbundenen Kammer (HRl) , die über der ersten Membran (Ml) angeordnet und vom Hohlraum (HR2) isoliert ist.
13. Mikrofon nach einem der Ansprüche 2 oder 5, wobei die erste und die zweite Membran (Ml, M2) mittels eines elektrischen Regelkreises gekoppelt sind, der ein elektrisches Signal von der ersten Membran abgreift und an die zweite Membran ein Steuersignal herausgibt, das sie zu einem Hub veranlasst, der den Innendruck im Hohlraum (HR2) beeinflusst und so die Auslenkung der ersten Membran vermindert .
14. Mikrofon nach Anspruch 13, wobei der Regelkreis einen Verstärker (Vl) umfasst.
15. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei mindestens eine gegenüber der Querschnittsgröße der Membranen (Ml, M2) kleine Ventilationsöffnung (VE) vorgesehen ist, die zum langsamen Druckausgleich im geschlos- senen Luftvoluraen geeignet ist.
16. Mikrofon nach Anspruch 15, wobei die Ventilationsöffnung (VE) in der ersten Membran (Ml) oder in einer Wand eines das Luftvolumen einschließenden Hohlraums ausgebildet ist.
17. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die zweite Membran (M2) rückseitig mit einem abgeschlossenen Volumen (HR3) versehen ist.
18. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem eine an die erste Membran (Ml) und/oder die zweite Membran (M2) angeschlossene elektrische Schaltung gegen das Einsetzen von Rückkopplungsschwingungen vorgesehen ist.
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